简析特高压输电中的直流与交流的关系-特高压交流输电的特点

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在现有技术条件下，高压直流输电无法取代（特）高压交流输电。这里从高压直流输电的角度说明，特高压交流不怎么了解。所以只是谈谈高压直流输电为什么无法完全取代高压交流输电

一、首先我们来看高压直流输电的特点：换流器控制复杂，造价高；直流输电线路造价低，输电距离越远越经济；没有交流输电系统的功角稳定问题，适远距离输电；适海底电缆（海岛供电、海上风电）和城市地下电缆输电；能够非同步（同频不同相位，或不同频）连接两个交流电网，且不增加短路容量；传输功率的可控性强，控制速度快，可有效支流系统；换流器大量消耗无功（注意这是对LCC-HVDC而言，VSC-HCDC整流侧和逆变侧均可独立灵活控制无功，两种系统差别下文将单独说明。），且产生谐波；双极不对称大地回线运行时存在直流偏磁问题和电化学腐蚀问题（地电流危害）；不能向无源系统供电（依然是对LCC-HVDC系统而言），构成多端直流系统困难（由于直流没有过零点，难以熄弧，所以现在缺少大容量直流断路器，无法切除输电线路的短路故障，从而限制了多端直流输电的发展。最近ABB貌似把这个东西搞出来了，不明觉厉。）。

二、经济问题：

高压直流输电主要是两头换流站贵，线路便宜。所以相较于交流输电，距离越远越经济。

架空线路等价距离约在640~960km地下电缆线路的等价距离为56~90km海底电缆线路的等价距离为24~48km*交流输电时电缆线路会与周边介质（海水、土壤）形成一个较大的电容，影响电网的经济稳定，直流输电不存在这个问题。

三、电能质量：直流输电系统的主要缺点是存在谐波，特别是低次谐波（主要是LCC-HVDC,而VSC-HVDC次谐波频率较高，滤波器可以有效消除这种高次谐波）。另一个不太突出的缺点是地电流。

谐波的危害：对铁磁设备的影响。谐波造成额外的铁耗导致发热、振动和噪声，降低了设备出力、效率及寿；对旋转电机的影响：谐波造成转矩脉动，转速不稳；对电力电容器的影响：谐波可能引起谐振过电压；对电力系统测控的影响：谐波使测量误差增加，可能导致控制失灵，保护误动；三次谐波电流过大可能使中性线过流；谐波叠加在基波上，使电气应力增加，对各种电气设备尤其是电容器的绝缘造成威胁；谐波对通信线路造成干扰。

HVDC引起的变压器直流偏磁（地电流）：现象：直流输电系统接地极流过较大电流时（如单极大地运行）会导致中性点接地变压器产生直流偏磁现象。后果：导致铁芯饱和，产生谐波，引起振动和噪声，引起发热，严重时损坏变压器，引起保护误动等。

四、电网安全：直流输电对电网稳定的贡献：紧急功率支援：如交流电网出现大幅度功率缺额（联络线跳开、某些大电厂跳开等），HVDC可以快速增加输送功率或者快速潮流反转。HVDC快速有效的潮流控制能力对于所连交流系统的稳定控制，交流系统正常运行过程中应对负荷随机波动的频率控制及故障状态下的频率变动控制都能发挥重要作用。

直流输电对电网的不利影响：

1.LCC-HVDC换相失败：概念：当逆变器两个阀进行换相时，因换相过程未能进行完毕，或者预计关断的阀关断后，在反向电压期间未能恢复阻断能力，当加在该阀上的电压为正时，立即重新导通，则发生了倒换相，使预计开通的阀重新关断，这种现象称之为换相失败。危害：a)换相失败引起输送功率中断威胁系统安全稳定；b)交流系统短路时，电压跌落可能引起多个换流站同时发生换相失败，导致多回直流线路功率中断，引起系统潮流大范围转移和重新分布；c)影响故障切除后受端系统电压恢复，进而影响故障切除后直流功率快速恢复，可能会威胁交流系统暂态稳定性。

2.谐波不稳定性：概念：HVDC引起的谐波不稳定是指在换流站附近有扰动时，谐波振荡不易衰减甚放大的现象，表现为交流母线电压严重畸变。危害：电流谐波放大几倍甚几十倍；电压严重畸变会导致换相失败并使系统运行困难。

3.不对称运行：在单极大地回线运行方式或者双极两端接地不对称运行方式下，会有较大电（甚为额定运行电流）经接地极流经大地。持续、长时间的大电流流过接地极会表现出三类效应：电磁效应、热力效应、电化效应。（1）电磁效应：a)现象：直流电流注入大地，在极址土壤中形成恒定直流电流场，导致出现大地电位升高、跨步电压、接触电势等。b)影响：影响依靠大地磁场工作的设施；对金属管道、铠装电缆、具有接地系统电气设备产生负面影响；跨步电压和接触电势影响人畜安全；电磁干扰。（2）热力效应：a)直流电流作用下电极温度升高，可能蒸发土壤水分，导电性能变差，电极将出现热不稳定，严重时会使土壤烧结成几乎不导电的玻璃状，电极将丧失运行能力。b)影响电极温升土壤参数：电阻率、热导率、热容率、湿度。（3）电化效应：a)大地中水与盐类物质相当于电解液，当直流电流经大地返回时，在阳极上会产生氧化反应，使得电极及附近金属发生电腐蚀；也会导致附近土壤中盐类物质被电解。

4.短时过电压：（1）现象：超过正常电压范围，持续相对较长时间的不衰减或衰减慢的过电压。（TemporaryOvervoltage，TOV）（2）原因：造成换流站短时过电压的根本原因是换流站安装的大量无功补偿电容器和滤波器；额定工况下，无功容量为额定输送功率的40%-60%，甩负荷时引起无功消耗大幅下降甚为零，剩余的无功补偿容量就会导致过电压。

5.HVDC引起的次同步振荡（SubsynchronousOscillation(SSO)）：（1）概念：汽轮发电机轴系会与电力系统功率控制设备，如高压直流输电系统，静止无功补偿系统等，发生相互作用，产生的低于同步频率的振荡。（2）现象：在直流输电整流站附近的汽轮发电机组，如果大部分功率通过直流输电来输送，且与交流大系统之间的联系又比较薄弱，容易引起次同步振荡（SSO）。（3）后果：导致机组大轴疲劳甚断裂，导致系统振荡失稳。写了这么多不利影响，有点耸人听闻的感觉。其实这些危害大都有解决方案，就是要多花点钱。总的来说就是让系统变得更加复杂昂贵了。

五、介绍一下VSC-HVDC:

1.同LCC-HVDC比较：

2.VSC-HVDC的特点及应用场：

（1）优点：a)结构紧凑占地小；b)无源系统供电/黑启动；c)可联络弱交流系统；d)独立的有功和无功控制；e)站间不用通讯；f)无换相失败问题；g)谐波小；h)易于实现多端直流。

（2）缺点：a)系统损耗较大，每端1.6%（常规0.8%）；b)无法控制直流侧故障电流（直流侧故障只能跳交流侧断路器，也就是没断路器用，这个问题ABB似乎解决了）；c)运行经验尚不足，系统稳定性、可靠性仍有待检验。d)全控器件容量普遍做不大。

六、总结：由于是和（特）高压交流输电比较，输电容量很大，窃以为VSC-HVDC不在考虑之列，故主要考查当下主流的采用半控型器件的LCC-HVDC的特性。高压直流输电虽然输送容量大且可以非同步并网，但由于其换流站成本高昂，控制复杂并不适构成电力系统的骨架。高压直流输电更适用于不同区域网架之间的连接，以及远距离大容量的电力输送。而（特）高压交流系统则适作为大区域中枢，担当网架的主干。两者优势互补，各有分工。

事实上，在我国特高压电网建设中,将以1000kV交流特高压输电为主形成特高压电网骨干网架，实现各大区电网的同步互联；±800kV特高压直流输电则主要用于远距离、中间无落点、无电压支撑的大功率输电工程。

参考文献：机械工业出版社《高压直流输电原理与运行》第2版——韩民晓、文俊、徐永海“内参”《高压直流输电总结》——陈伟彪（某学长留下的总结，本文大量引用，感谢学拯救我的直流输电考试）

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